Прочнее пластика и жёстче стекла: материал, наполненный смолой, используется для изготовления экранов смартфонов, герметичных окон и многого другого.
Тридцать лет назад у ботаника из Германии появилась мечта: увидеть внутреннюю работу растений, не препарируя их. Отбеливая пигменты в клетках растений, Зигфрид Финк сумел создать прозрачную древесину и опубликовал свою методику в нишевом журнале по технологии древесины. Статья 1992 года оставалась последним словом о прозрачной древесине более десяти лет, пока на неё не наткнулся исследователь по имени Ларс Берглунд.
Берглунд был вдохновлён открытием Финка, но не по ботаническим причинам. Материаловед, работающий в Королевском технологическом институте KTH в Швеции, специализируется на полимерных композитах и был заинтересован в создании более прочной альтернативы прозрачному пластику. И не только он был заинтересован в достоинствах дерева. За океаном исследователи из Университета Мэриленда были заняты другой целью: использовать прочность древесины в нетрадиционных целях.
Теперь, после нескольких лет экспериментов, исследования этих групп начинают приносить плоды. Прозрачная древесина вскоре может найти применение в сверхпрочных экранах для смартфонов, в мягких, светящихся светильниках и даже в строительстве – например, в меняющих цвет окнах.
«Я искренне верю, что у этого материала многообещающее будущее», — говорит Цилян Фу, нанотехнолог по древесине из Нанкинского лесного университета в Китае, который работал в лаборатории Берглунда в качестве аспиранта.
Древесина состоит из бесчисленных маленьких вертикальных каналов, похожих на тугой пучок соломинок, скреплённых между собой клеем. Эти трубчатые клетки транспортируют воду и питательные вещества по всему дереву, а когда дерево срубают и влага испаряется, в этих местах остаются воздушные карманы. Чтобы создать прозрачную древесину, учёным сначала нужно избавиться от клея, лигнина, который удерживает пучки клеток вместе и придаёт стволам и ветвям большую часть их землисто-коричневого оттенка, или изменить его. После отбеливания или иного удаления цвета лигнина остаётся молочно-белый скелет полых клеток.
Этот каркас остаётся непрозрачным, потому что стенки клеток преломляют свет не так, как это делает воздух в карманах клеток – у них разный коэффициент преломления. Если заполнить воздушные карманы веществом вроде эпоксидной смолы со схожим со стенками клеток коэффициентом преломления, древесина станет прозрачной.
Материал, с которым работали учёные, очень тонкий: обычно его толщина составляет от миллиметра до сантиметра. Но ячейки создают прочную сотовую структуру, а крошечные древесные волокна прочнее лучших углеродных волокон, говорит материаловед Лянбин Ху, возглавляющий исследовательскую группу, работающую над прозрачной древесиной в Университете Мэриленда в Колледж-Парке. А с добавлением смолы прозрачная древесина превосходит по многим параметрам пластик и стекло. В тестах, измеряющих, насколько легко материалы ломаются под давлением, прозрачная древесина оказалась в три раза прочнее прозрачного плексигласа, и примерно в 10 раз прочнее стекла.
«Результаты удивительны: кусок дерева может быть таким же прочным, как стекло», — говорит Ху, который рассказал о свойствах прозрачной древесины в ежегодном обзоре исследований материалов за 2023 год.
Процесс также применим и для более толстой древесины, но вид сквозь неё получается более мутным, поскольку она рассеивает больше света. В своих оригинальных исследованиях, проведённых в 2016 году, Ху и Берглунд обнаружили, что миллиметровые листы древесного каркаса, наполненного смолой, пропускают от 80 до 90% света. При толщине ближе к сантиметру светопропускание падает: группа Берглунда сообщила, что древесина толщиной 3,7 мм пропускает только 40% света.
Тонкий профиль и прочность материала означают, что он может стать отличной альтернативой изделиям из тонкого, легко бьющегося пластика или стекла, например экранам дисплеев. Французская компания Woodoo, например, использует аналогичный процесс удаления лигнина в своих деревянных экранах, но оставляет немного лигнина, чтобы создать интересный оттенок цвета. Компания разрабатывает свои перерабатываемые, сенсорные цифровые дисплеи для приборных панелей автомобилей и рекламных щитов.
Но большинство исследований было посвящено использованию прозрачной древесины в качестве архитектурного элемента, причём особенно перспективным кажется его применение для окон, говорит Продьют Дхар, инженер-биохимик из Индийского технологического института Варанаси. Прозрачная древесина — гораздо лучший изолятор, чем стекло, поэтому она может помочь зданиям удерживать тепло или не пропускать его наружу. Ху и его коллеги также использовали поливиниловый спирт — полимер, применяемый в клеях и упаковках для пищевых продуктов, — для пропитывания древесного каркаса, в результате чего прозрачная древесина проводит тепло в пять раз хуже, чем стекло, сообщила команда в 2019 году в журнале Advanced Functional Materials.
Исследователи разрабатывают и другие способы повышения способности древесины удерживать или отдавать тепло, что может быть полезно для энергоэффективных зданий. Селин Монтанари, материаловед из шведского исследовательского института RISE, и её коллеги экспериментировали с фазообменными материалами, которые при переходе из твёрдого состояния в жидкое или наоборот переходят от удержания к выделению тепла. Например, включив в состав полиэтиленгликоль, учёные обнаружили, что их древесина может накапливать тепло, когда она тёплая, и отдавать его, когда она охлаждается, работа опубликована в журнале ACS Applied Materials and Interfaces в 2019 году.
Таким образом, окна из прозрачной древесины будут прочнее и помогут регулировать температуру лучше, чем традиционное стекло, но вид через них будет мутным, больше похожим на матовое стекло, чем на обычное окно. Однако такая мутность может стать преимуществом, если пользователю нужен рассеянный свет: Поскольку толстое дерево прочное, оно может быть частью несущей конструкции, проводящей свет, говорит Берглунд – например, потолочного перекрытия, обеспечивающего мягкий рассеянный свет в комнате.
Ху и Берглунд продолжают искать способы придать прозрачной древесине новые свойства. Около пяти лет назад Берглунд с коллегами из KTH и Технологического института Джорджии обнаружили, что они могут имитировать «умные» окна, которые могут переключаться с прозрачного на тонированное состояние, чтобы блокировать видимость или солнечные лучи. Исследователи поместили электрохромный полимер — вещество, которое может менять цвет под воздействием электричества, — между слоями прозрачной древесины, покрытой электродным полимером для проведения электричества. В результате получилась деревянная панель, которая меняет цвет с прозрачного на пурпурный, когда через неё пропускают небольшой электрический ток.
В последнее время обе группы переключили своё внимание на повышение экологичности производства прозрачной древесины. Например, смола, используемая для заполнения деревянных лесов, как правило, представляет собой пластик, получаемый из нефти, поэтому лучше избегать её использования, говорит Монтанари. В качестве замены она и её коллеги изобрели полностью биологический полимер, получаемый из кожуры цитрусовых. Сначала они соединили акриловую кислоту и лимонен — химическое вещество, добываемое из кожуры лимонов и апельсинов и содержащееся в эфирных маслах. Затем они пропитали им древесину, избавленную от лигнина. Даже с фруктовым наполнителем прозрачная древесина на биооснове сохранила свои механические и оптические свойства, выдерживая давление на 30 мегапаскалей больше, чем обычная древесина, и пропускает около 90% света, сообщили исследователи в журнале 2021 in Advanced Science.
Лаборатория Ху, тем временем, недавно сообщила в журнале Science Advances о более экологичном методе отбеливания лигнина, который основан на использовании перекиси водорода и ультрафиолетового излучения, что ещё больше снижает потребность в энергии при производстве. Команда обработала кусочки древесины толщиной от 0,5 до 3,5 мм перекисью водорода, а затем оставила их перед ультрафиолетовыми лампами, имитирующими солнечные лучи. Ультрафиолет отбеливал пигментосодержащие части лигнина, но оставлял нетронутыми структурные части, что позволяло сохранить прочность древесины.
Эти более экологичные подходы помогают ограничить количество токсичных химикатов и ископаемых полимеров, используемых в производстве, но на данный момент стекло все ещё оказывает меньшее воздействие на окружающую среду в конце срока службы, чем прозрачная древесина, согласно анализу, проведённому Дхаром и его коллегами в журнале Science of the Total Environment. По словам исследователей, внедрение более экологичных схем производства и расширение масштабов производства — это два шага, необходимых для выхода прозрачной древесины на основные рынки, но на это потребуется время. Однако они уверены, что это возможно, и верят в её потенциал как устойчивого материала.
«В попытках повысить экологичность производства нужно не просто дотянуться до свойств известных материалов, изготовленных из ископаемых, — говорит Монтанари. — Как учёный, я хочу превзойти их свойства».
Комментарии (26)
NickDoom
11.12.2023 15:40Перекись и УФ-лампа? И потом эпоксидкой?
Хмммм, а ведь можно сделать интересненькое матовое окошко для бани :)
aamonster
11.12.2023 15:40Круть. Интересно, весь процесс можно ведь провести в домашних условиях? Погружаем деревяху в перекись водорода, вакуумируем (чтобы пропиталась насквозь, детали процесса можно посмотреть у найфоманов, пропитывающих рукояти ножей маслом), дальше под уф, сушим (вероятно, опять понадобится вакуумирование), пропитываем эпоксидкой (опять к найфоманам, см. "стабилизированное дерево"). Получим прекрасную полупрозрачную рукоять ножа :-)
green_fenix
11.12.2023 15:40Процесс можно посмотреть в двух видео на канале NileRed:
1. Первое видео с не очень удачной попыткой - https://youtu.be/x1H-323d838
2. Второе видео спустя три года, уже с удачным результатом - https://youtu.be/uUU3jW7Y9Ak
dyadyaSerezha
Дерево это еще ладно, а вот зачем создают прозрачные мониторы и телеки?
MentalSky
Что бы как в Мстителях было!
UPD: Подумалось - а если такой монитор стоит у жёлтой стены и на мониторе вывели желтые буквы на прозрачном фоне?????
Lainhard
То вы... пам пам пам - ничего не увидите! Вот это поворот!
dyadyaSerezha
То... то надо сделать прозрачными и стены!
begin_end
Да, красиво и непрактично, изобилует в разнообразной фантастике. Как не взлетела и массовая видеотелефонная связь (на замену телефонной).
Если бы была реальная технология голографических дисплеев, это было бы ее побочным негативным эффектом, с которым в итоге придется бороться.
Эффект полезен только в очках дополненной реальности или имитаторах 3д отображения...
Wolframium13
Ну как не взлетела, скайпы, зумы, вацапы и т.д.
begin_end
Видеотелефонная связь заменила именно личное присутствие. Но не телефонный/голосовой контакт.
В большинстве ситуаций общения банально не удобно быть видимым/видеть собеседника, ибо это накладывает определенные культурные/моральные и иные ограничения-условности (допустим, кто-то привык дома голым ходить или в носу ковыряться во время разговора или просто сидишь на унитазе, - но по голосовой связи этого не увидишь, следовательно собеседникам комфортно, без лишних вопросов).
pavel_kudinov
Так сам телефонный контакт изначально заменял именно личное присутствие
Тот факт, что по дороге от личного присутствия к видео присутствию телефонный контакт успел сформировать собственную нишу голосового присутствия - теперь следует воспринимать как ответвление от изначального основного контекста личного присутствия
> Как не взлетела и массовая видеотелефонная связь (на замену телефонной).
таким образом, постфактум можно с умным видом заявлять, что видеосвязь туда и не целилась :-)
Wolframium13
Так мониторы и так прозрачные, их искусственно делают непрозрачными.
pavel_kudinov
не совсем так
если речь про ЖК мониторы, то их не искусственно делают непрозрачными, а скорее загораживают лампой подсветки, иначе ничего не будет видно. т.е. невозможно сделать прозрачный ЖК монитор на котором будет видно изображение в темноте без внешней подсветки
если речь про OLED мониторы, то они не могут быть полностью прозрачными, потому что любое физическое тело может излучать электромагнитные волны только в том же диапазоне, в котором оно их поглощает, соответственно сам OLED пиксель может светиться ровно в той степени, в которой он непрозрачен. реальные прозрачные OLED мониторы лишь частично прозрачны за счёт прозрачности межпиксельного расстояния
rPman
не невозможно, а неоправданно дорого.
лазерный луч можно сделать тонким и пустить вдоль стекла таким образом, чтобы он коснулся нужной части поверхности экрана и она засветилась бы (он в это время отражается и уходит к другому краю, где поглощается)
pavel_kudinov
хорошая попытка, но :-)
1. "часть поверхности экрана засветилась бы" - если вы имеете ввиду люминифор (как в ЭЛТ телевизорах) - на него распространяются те же ограничения, он будет не прозрачен в видимом спектре ровно настолько, насколько способен засвечиваться под внешним воздействием
2. если под "засветилась бы" вы имеете ввиду диффузное(матовое) рассеяние или отражение/преломление части пучка света в глаз наблюдателя, то ровно в той степени, в которой эта часть экрана будет перенаправлять фотоны лазера в глаз наблюдателя, она будет непрозрачной (конкретно - те части поверхности, которые будут преломлять/отражать отдельные фотоны лазерного луча - будут зеркально "смотреть" в источник света, а не позволять лучу зрения беспрепятственно смотреть сквозь экран. диффузное(матовое) рассеяние - частный случай комбинации преломления и отражения)
итого, в обоих случаях принцип "непрозрачен в той же степени, в которой способен излучать/преломлять/отражать/рассеивать свет" будет соблюдаться
pavel_kudinov
на всякий случай, если придумаете, как сломать этот принцип, то решите проблему охлаждения термоядерных двигателей при сверхдальних космических перелётах (внезапно, основная проблема не где в космосе брать энергию, а где в космосе брать холодильник)
пока самое умное что придумали люди - это три расположенные под углами в 60 градусов огромные излучающие панели, отдающие тепло в открытый космос
https://ru.wikipedia.org/wiki/Закон_излучения_Кирхгофа
геометрически "излучать через прозрачный экран" - это нерешаемая задача, вы попутно сломаете третий закон термодинамики (подробно обсуждали эту идею в другом посте, который на данный момент, к сожалению, закрыт https://habr.com/ru/articles/681944/)
pavel_kudinov
выглядит это в теории примерно так (ближняя к камере "металлическая призма" - это космический холодильник, на заднем плане, где углы 120 градусов - это солнечные панели):
rPman
Это троллинг такой?
Тут две задачи - задача светить и задача блокировать свет, обе решаемы.
Стекло должно быть не абсолютно прозрачное, а с микроскопическими деформациями/вкраплениями (не видимыми но да, меняющими степень прозрачности), отличный пример - торцевая подсветка стекла (но там лучи света переотражаются случайным образом, а я говорю про контролируемый процесс).
Задача управляемо блокировать свет тоже решаема, способов много, например электрохромная жидкокристаллическая пленка.
Т.е. технически 'все просто', поставить лазерный проектор в торец стекла, с задней стороны которого вставлен экран на жидких кристаллах (не помню, есть ли решения, не требующие поляризации, так как визуально это заметно как более темное стекло), транслирующий то же изображение в монохроме.
p.s. про космос даже хз что сказать, нужна идея? нужны метаматериалы, увеличивающие длину волны теплового излучения последовательно до радиоволн, после определенной длины которых конструкции становятся для них проницаемы. Только смысл, ну увеличится отвод тепла в 3 раза, когда как нужно на порядок.
pavel_kudinov
это был ответ на ваш троллинг
предлагаемая вами технология ничем не "прозрачнее" уже существующего "прозрачного OLED"
если вас устраивает исходная степень полу-прозрачности, нет никакого смысла затеваться с нанолазерами, уменьшайте площадь OLED пиксела, увеличивайте его яркость и наращивайте количество прозрачного материала между пикселами - "с расстояния" всё будет выглядеть как будто у вас получается всё более и более стремящийся к 99.99(9)% прозрачности экран
речь о том, что по-настоящему 100% прозрачный экран, на котором можно выводить информацию - нельзя создать
- если мы говорим про принципиальные ограничения физики, мы говорим про теоретические максимумы, и, таки, нет, нельзя
- если мы говорим про практическую инженерию, я изначально не отрицал существование "почти прозрачных мониторов, например OLED", и непонятно к чему вы тогда про лазеры и стекло затевались
ветка комментариев пошла от ответа на "вообще-то экраны изначально прозрачные, и их специально делают непрозрачными" (нет, это не так)
pavel_kudinov
про метаматериалы, вы изобрели некий эквивалент Демона Максвелла
создание такого "постепенного увеличителя длины волны теплового излучения" умозрительно нарушает принцип необратимого роста энтропии
повторюсь, если вы начнёте "излучать с объёма, а не с поверхности", так или иначе, вы сломаете второй закон термодинамики и развернёте рост энтропии вспять (демон Максвелла славится ровно тем же и невозможен ровно по той же причине)
https://ru.wikipedia.org/wiki/Демон_Максвелла
p.s. пардон, Демон Максвелла ломает второе начало, а не третье
rPman
не очень понимаю почему это ломает законы термодинамики и как это связано с демоном максвела, но допускаю что мое предложение по поиску способа увеличить длину волны без потерь - абсурд (формально это можно сделать в виде лазера, подбирая материал чтобы он излучал энергию одной волны, поглощая другие, но кпд в тех экспериментах что были порядка 1% что делает идею бессмысленной)... а то я еще могу что-нибудь дикого напридумывать, например зонная пластинка френеля позволяет фокусировать излучение заданной частоты (хоть радиоволны), при должном старании можно перенаправлять излучение в сторону корабля в отверстие по середине... и вообще что мы обсуждаем, подбираем излучающий материал и температуру такой, чтобы можно было эффективно излучение отражать и не мучаемся. Повторяю еще раз, нет смысла увеличивать таким способом излучение тепла.
p.s. Пример объемного излучателя тепла - капельный холодильник в космосе. Отводят тепло не из панели, а в объеме в космосе (соседние капли малы и достаточно далеки чтобы заметно поглотить тепло от соседей), используют какой то металл в жидкой фазе.
pavel_kudinov
в курсе про капельную систему охлаждения и обсуждалось на том же форуме. не берусь погружаться в контекст, моя идея была в другом, что это должна была быть условно вода (теплоноситель который дополнительно может в конвекцию) прозрачная для ИК спектра, чтобы она излучала не с поверхности, а с объема
мне объяснили, что если вещество будет частично прозрачным для ИК спектра, оно будет и частично излучающим в нём же, в итоге удельно на единицу площади поверхности всё равно будет пассивного излучения не больше, чем излучение абсолютно чёрного тела, этот теоретический предел никакими фокусами не превысить
касательно начал термодинамики, комментарий был не мой, процитирую (достал из почты, топик к сожалению уже закрыт):
> То что Вы предлагаете, нарушает 3й закон термодинамики. Если бы такое было возможно - тогда можно в вакуумной камере разместить в центре шар из такой жидкости, и он будет излучать теплом на стенки сильнее чем они на него обратно при равной температуре. Будет происходить передача тепла от более холодного тела к более горячему без совершения работы
pavel_kudinov
меня, повторюсь, интересовал именно вопрос, можно ли пассивно с единицы площади поверхности излучать больше, чем излучение абсолютно чёрного тела, читеря с прозрачностью материала. оказалось - нельзя
кстати, любопытное по теме про Белые карлики и их остывание:
pavel_kudinov
p.p.s. я наконец понял, на какую часть комментария вы отвечали
"невозможно создать ЖК монитор без внешней подсветки" - если вы об этом, то вы не убрали внешнюю подсветку совсем, а просто отодвинули её "в сторону" от луча зрения, но необходимость рассеять/преломить этот свет на ЖК пикселе приведёт нас к той же проблеме, которую я описал в чисто оптическом варианте: точка рассеяния/преломления будет частично непрозрачной для луча зрения
(в самом деле, если у вас есть такой точный и хороший лазер, зачем вам вообще ЖК пиксели, рассеивайте на микро неровностях стекла, как вы и предлагаете, и пусть лазерный луч сразу будет нужного оттенка и яркости в каждой точке)